La Physique c’est quoi déjà?

…en deux mots…•C’est avant tout une façon de voir le monde

•Cette représentation s’articule autour de deux éléments essentiels:

- L’ Observation (Expérience: Un mode d’interrogation de la Nature) qui fournit des données factuelles (Ex: données sensorielles)condensées en principes

- La Théorie: c’est une explication formalisée construite sur la base des principes induits de l’expérience.

Cette vision date du XVIIème siècle, initiée par Galilée et Newton….

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Idéal newtonien de représentation des phénomènes

Particules et …

…champs médiateurs des forces

Ex: Champ de gravitation, électrique, magnétique, …

Objets localisés

Objets étendus dans l’espace

Lois de la dynamique de

NewtonMouvement des particules

Systèmes de particules en interaction

Gaz, liquides, solides, …

Une propriété fondamentale de la description classique Le déterminisme: Tout est donné (ses états futurs comme son histoire) si l’on connaît la configuration du système à un

instant donné

Champs = Milieux dotés d’une dynamique propre

Théorie classique des champs

Ex: Le champ électromagnétique

de Maxwell

Lois dynamiques: Equations de

Maxwell

Le Champ = « Matelas à ressorts » 3 D

– Perturbation du champ = déplacement d’un ressort

- Perturbations du Champ se propagent à vitesse finie=Ondes

Ex: Champ EM: Onde EM= Lumière…

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Le Problème du corps noir: Répartition spectrale du rayonnement thermique des corps

Connue expérimentalement

Seule la partie basses énergies (IR) est en accord avec la physique classique- La partie hautes énergies ( tronçon de gauche: UV) résiste à l’interprétation.

En accord avec la physique classique

Désaccord!!!

Max Planck propose une solution semi-classique au problème

•Rayonnement (lumière émise traitée classiquement)

•Hypothèse non classique: Discontinuité des échanges d’énergie entre matière et rayonnement

« La matière ne peut absorber ou émettre d’énergie lumineuse que par paquets finis »

C’est l’hypothèse des quanta

Étrangère à la physique classique

Introduction d’une nouvelle constante fondamentale: la

constante de Planck h

En 1905: Réinterprétation par Einstein – Le rayonnement a une structure corpusculaire: Il est

composé de photons (Dualité onde/particule)

En 1905: Réinterprétation par Einstein – Le rayonnement a une structure corpusculaire: Il est composé de photons (Dualité onde/particule)

Selon A. Einstein la discontinuité de Planck provient de cette structure granulaire de la lumière

C’est la première fois dans l’histoire de la Physique qu’un objet est décrit de manière duale: La lumière est onde et particules (photons)!

Confirmation expérimentale éclatante: Effet photoélectrique et effet Compton

•En 1911: Rutherford étudie les particules Diffusion par la matière

Découverte du noyau atomiqueDécouverte du noyau atomique

Modèle planétaire de l’atome

L’atome de Rutherford L’atome de Rutherford

est instable….est instable….

Les électrons: régis Les électrons: régis par la dynamique par la dynamique

classique…classique…

……doivent s’écraser doivent s’écraser sur le noyau en sur le noyau en émettant de la émettant de la

lumière d’après la lumière d’après la théorie EM…théorie EM…

La théorie classique ne fixe La théorie classique ne fixe pas la taille des atomes pas la taille des atomes

Masse electron XvitesseXperimètre du cercle Masse electron XvitesseXperimètre du cercle numéroté « n » = n X constante de Plancknuméroté « n » = n X constante de Planck

Hypothèse discontinuiste: La sélection se fait selon la condition de Bohr

En 1913, N. Bohr va proposer une solution hybride

•Les lois classiques du mouvement restent valables

•Tous les trajets classiques ne sont pas permis (en rouge) à l’électron: les trajets permis (en vert) sont dénombrables- pas de rayonnement (stationnarité)

1 2

3 Grand succèsGrand succès

•explique les spectres de raie des éléments explique les spectres de raie des éléments (hydrogène surtout)(hydrogène surtout)

•Fixe la taille des atomes: 1 dix Fixe la taille des atomes: 1 dix milliardième de mètremilliardième de mètre

•Mécanisme d’émission de lumière par Mécanisme d’émission de lumière par transition entre deux états permistransition entre deux états permis

Pas de représentation du saut dans l’espace-temps: La théorie de Bohr rompt avec le déterminisme classique

Mais ce saut est très singulier: il n’obéit pas à un mécanisme classique. Au cours du saut l’éléctron devrait passer par les positions intermédiaires qui lui sont interdites!! Sinon l’émission serait progressive!

Le saut de Bohr d’une orbite permise à une autre s’accompagne de l’émission ou de l’absorption de photons: Emission et absorption sont font par paquets (quanta)

Comment renouer avec une description classique – trajet dans l’espace-temps- déterministe de l’atome?

1924: Louis de Broglie réinterprète les conditions de 1924: Louis de Broglie réinterprète les conditions de BohrBohr

Condition de Bohr = Condition de résonance d’une Condition de Bohr = Condition de résonance d’une onde stationnaireonde stationnaire

Image de la corde fermée

1 fuseau 2 fuseaux

Longueur LLongueur L

1ère orbite de Bohr

2ème orbite de Bohr

Hypothèse des ondes de Hypothèse des ondes de matièrematière

De Broglie associe aux De Broglie associe aux électrons une onde qu les guide électrons une onde qu les guide

le long de leur trajetle long de leur trajet

Confirmation expérimentale en Confirmation expérimentale en 1927 par Davisson et Germer 1927 par Davisson et Germer

(figure de diffraction (figure de diffraction électronique)électronique)

En 1925, Erwin Schrödinger découvre la loi – l’équation éponyme – régissant la propagation de l’onde de De Broglie associée à une

particule dans l’espace et retrouve les résultats de Bohr

Emergence d’une physique du continu où l’onde est la réalité

ultime

Le corpuscule est reconstruit comme superposition d’ondes de

Schrödinger

Paquet d’ondes

Combinaison d’ondes

=

Centre du paquet Centre du paquet d’ondes = Zône de forte d’ondes = Zône de forte amplitude= se comporte amplitude= se comporte comme le Corpuscule comme le Corpuscule

classiqueclassique

Ananlogie avec la lumière

Ondes élémentaires = couleurs

La propagation de l’onde de Schrödinger dans l’espace-temps usuel n’est La propagation de l’onde de Schrödinger dans l’espace-temps usuel n’est vraie que pour 1 seule particule! vraie que pour 1 seule particule!

2 particules en interaction sont décrites par une seule onde se propageant 2 particules en interaction sont décrites par une seule onde se propageant dans un espace…abstrait à 6D!!!dans un espace…abstrait à 6D!!!

Plus le nombre de particules est grand et plus cet espace est grand…Plus le nombre de particules est grand et plus cet espace est grand…

L’onde n’est pas séparable en deux ondes

individuelles

Elle ne se propage pas dans

l’espace usuel

Elles donnent bien lieu à des interférences observables dans notre espace et les particules se comportent bien comme des objets discrets !!!

Rupture avec le mode de Rupture avec le mode de pensée classique de pensée classique de

représentation des phénomènes représentation des phénomènes dans l’espace-tempsdans l’espace-temps

Quelle est la vraie Quelle est la vraie nature de l’onde de nature de l’onde de

Schrödinger?Schrödinger?

•1924: Hypothèse des ondes de matière par De Broglie

•1925: Découverte de la loi régissant la propagation de ces ondes par Schrödinger – Espoir d’une physique du continu

•1925/26: L’onde se propage dans un espace abstrait – ruine de cet espoir: que sont les ondes? Que sont les particules?

•1927: Mise en évidence expérimentale de ces ondes…

Pendant ce temps…

•1925: Invention d’une mécanique abstraite –la mécanique matricielle – par Heisenberg. Basée sur la notion de grandeur physique uniquement (pas d’onde). Rupture avec l’idéal classique. Grands succès.

•1926: Equivalence avec la mécanique ondulatoire démontrée par Schrödinger.

•1926: Notion de particule objective. Born propose l’interprétation probabiliste de l’onde de Scrödinger- De Broglie

…Rupture définitive avec la physique classique!!

L’onde est déterminée de façon rigoureuse et donc aussi les probabilités. On ne peut prédire que les probabilités d’occurrence des événements (réalisations des phénomènes):Les phénomènes sont soumis à un déterminisme statistique.

Pour concilier les notions de particule et d’onde: L’onde est un outil de prévision Pour concilier les notions de particule et d’onde: L’onde est un outil de prévision probabiliste du comportement de la particule (son mouvement par ex.)probabiliste du comportement de la particule (son mouvement par ex.)

Onde = Champ Onde = Champ – Objet associant à tout point de – Objet associant à tout point de l’espace un nombre d’autant plus grand que l’onde y l’espace un nombre d’autant plus grand que l’onde y est plus marquée (amplitude plus grande)est plus marquée (amplitude plus grande)

Calcul de la probabilité (intensité)

« Probabilité » de trouver la particule en un point :

2

Seules sont mesurables ces probabilités: les interférences sont un révélateur des Seules sont mesurables ces probabilités: les interférences sont un révélateur des probabilités quantiques…probabilités quantiques…

•L’onde de probabilité est un champ d’informations sur le L’onde de probabilité est un champ d’informations sur le système (Etat du système)système (Etat du système)

• En dehors de toute mesure, toutes les possibilités sont En dehors de toute mesure, toutes les possibilités sont virtuellement présentes. La mesure va sélectionner une virtuellement présentes. La mesure va sélectionner une possibilité et une seule: l’issue est gouvernée par le hasard.possibilité et une seule: l’issue est gouvernée par le hasard.

Une propriété étonnante du monde quantique: On Une propriété étonnante du monde quantique: On peut superposer les états possibles (ex: les états « chat de peut superposer les états possibles (ex: les états « chat de Schrödinger »)!!Schrödinger »)!!

Quelle que soit la

distance!!

Objet quantique

2 états possibles (résultats possibles des mesures)

Etats superposés

Intrication: Objets jumeaux (forment un tout indivisible)

Mesure sur le 1er objet

Etat du 2nd connu sans mesure!!!

Etat vert

(0% rouge)

Etat rouge (0% vert)

Etat 50% vert et 50% rouge

Etat quelconque

(Chat mort-vivant)

Evolution de l’état

2= pourcentage de vert

2= pourcentage de rouge

Pas de trajet défini !!!

Effets spécifiquement quantiques

Effet Tunnel (passe-murailles)

•Radioactivité alpha (Gamow)

•Diodes Tunnel

•Microscopes à effet tunnel

•Cosmologie quantique de l’univers très

primordial

•Stabilité des naines blanches

•Etoiles à Neutrons

•Physique du solide (supraconductivité)

•Liaison chimique

Electronique:

Transistors (1948)

Lasers (Optique quantique)

Intrication quantique: Manipulation des superpositions d’états quantiques (Etats Chat de Schrödinger)

Applications à la téléportation quantique de photons